蓄冷材料及蓄冷式制冷的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠提高熱交換效率的蓄冷材料及具備該蓄冷材料的蓄冷式制冷機。本發(fā)明的第1級蓄冷材料（30）及第2級蓄冷材料（60）是使用于GM制冷機（1）的具有層疊結(jié)構(gòu)的蓄冷材料。在蓄冷材料的各層上以氣體能夠沿層疊方向通過的方式形成有多個孔。至少一個層包含基材及覆蓋基材的涂層。20開爾文～40開爾文的溫度范圍中的涂層的容積比熱大于基材的容積比熱。
【專利說明】蓄冷材料及蓄冷式制冷機
[0001] 本申請主張基于2013年12月13日申請的日本專利申請第2013-257721號及2013 年6月20日申請的日本專利申請第2013-129461號的優(yōu)先權(quán)。這些日本申請的全部內(nèi)容 通過引用并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種蓄冷材料及具備該蓄冷材料的蓄冷式制冷機。

【背景技術(shù)】
[0003] 吉福德-麥克馬洪式（GM)制冷機、脈沖管制冷機、斯特林制冷機及蘇威制冷機等 蓄冷式制冷機能夠在從100K (開爾文）左右的低溫到4K的超低溫為止的范圍內(nèi)冷卻冷卻 對象物。這種蓄冷式制冷機使用于超導(dǎo)磁鐵和檢測器等的冷卻、及用于低溫泵等。
[0004] 例如，GM制冷機中，被壓縮機壓縮的氦氣等工作氣體導(dǎo)入蓄冷器中，并被蓄冷器內(nèi) 的蓄冷材料預(yù)冷。被預(yù)冷的工作氣體在膨脹室絕熱膨脹致使工作氣體的溫度進一步下降。 低溫的工作氣體再次通過蓄冷器，并返回到壓縮機。此時，工作氣體成為下一次被引導(dǎo)的工 作氣體，一邊使蓄冷器內(nèi)的蓄冷材料冷卻，一邊通過蓄冷器。通過將該過程設(shè)為1個周期， 周期性地進行冷卻。
[0005] 蓄冷式制冷機中，蓄冷材料的熱交換效率極大影響制冷機的制冷能力。以往，例如 申請人:在專利文獻1中提出了通過層疊涂布或電鍍有鉍的金屬網(wǎng)來形成蓄冷材料。
[0006] 專利文獻1 :日本特開2006-242484號公報
[0007] 由于鉍在低溫區(qū)域中的容積比熱較大，因此能夠使用鉍來增加低溫區(qū)域中的蓄冷 材料的熱容量。然而，在技術(shù)方面鍍鉍是困難的，或者即使可以鍍鉍也費時耗財。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種能夠提高熱交換效率的蓄 冷材料及具備該蓄冷材料的蓄冷式制冷機。
[0009] 本發(fā)明的一種實施方式涉及一種蓄冷材料。該蓄冷材料為使用于蓄冷式制冷機的 具有層疊結(jié)構(gòu)的蓄冷材料，其中，在各層上形成有能夠使氣體沿層疊方向通過的多個孔，至 少一個層包含基材及覆蓋基材的涂層。20開爾文?40開爾文的溫度范圍中的涂層的容積 比熱大于基材的容積比熱(其中，涂層以鉍為主成分的情況除外）。
[0010] 本發(fā)明的另一實施方式也是蓄冷材料。該蓄冷材料為使用于蓄冷式制冷機的具有 層疊結(jié)構(gòu)的蓄冷材料，其中，在各層上形成有能夠使氣體沿層疊方向通過的多個孔，在至少 一個層上，涂布有基于鉍和錫的合金或銻和錫的合金或鉍、銻及錫的合金的涂層。
[0011] 本發(fā)明的又一種實施方式為具備上述蓄冷材料的蓄冷式制冷機。
[0012] 另外，將以上構(gòu)成要件的任意組合或本發(fā)明的構(gòu)成要件及表現(xiàn)在裝置、方法及系 統(tǒng)等之間彼此替換的技術(shù)也作為本發(fā)明的方式有效。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種能夠提高熱交換效率的蓄冷材料及具備該蓄冷材料的蓄冷 式制冷機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是搭載有實施方式所涉及的蓄冷材料的GM制冷機的概略結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖2是表示圖1的第1級蓄冷材料的結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0016] 圖3是低溫側(cè)的金屬絲網(wǎng)的線材的剖視圖。
[0017] 圖4 (a)、圖4 (b)是表示各種金屬的容積比熱與溫度之間的關(guān)系的曲線圖。
[0018] 圖5是表示圖1的第2級蓄冷材料的結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0019] 圖6是表示在圖1的GM制冷機中實際測定的第1級冷卻臺的溫度與制冷能力之 間的關(guān)系的曲線圖。
[0020] 圖7是表示在圖1的GM制冷機中實際測定的第1級冷卻臺在40K中的制冷能力 與線材的直徑之比之間的關(guān)系的曲線圖。
[0021] 圖8是第1變形例所涉及的金屬絲網(wǎng)的線材的剖視圖。
[0022] 圖9是第2變形例所涉及的金屬絲網(wǎng)的線材的剖視圖。
[0023] 圖10是層疊2張第2變形例所涉及的金屬絲網(wǎng)時的剖視圖。
[0024] 圖11是表示第1級蓄冷材料的結(jié)構(gòu)的另一例的示意圖。
[0025] 圖12 (a)、圖12 (b)及圖12 (c)分別表示第1線材、第2線材及第3線材的一 例。
[0026] 圖13 (a)、圖13 (b)及圖13 (c)分別表示第1線材、第2線材及第3線材的另一 例。
[0027] 圖14 (a)、圖14 (b)及圖14 (c)分別表示第1線材、第2線材及第3線材的又一 例。
[0028] 圖中：1_GM制冷機，3-氣體壓縮機，10-冷頭，15-第1級冷卻部，20-第1級缸體， 22-第1級置換器，30-第1級蓄冷材料，35-第1級冷卻臺，50-第2級冷卻部，51-第2級 缸體，52-第2級置換器，85-第2級冷卻臺。

【具體實施方式】
[0029] 以下，對于各附圖中示出的同一或相同的構(gòu)成要件、部件標(biāo)注相同的符號并適當(dāng) 省略重復(fù)說明。并且，為了便于理解，將各附圖中的部件的尺寸適當(dāng)擴大、縮小示出。并且， 在各附圖中，省略表示對實施方式的說明中不重要的部件的一部分。
[0030] < GM 制冷機 >
[0031] 圖1是搭載有實施方式所涉及的蓄冷材料的GM制冷機1的概略結(jié)構(gòu)圖。GM制冷 機1具有：氣體壓縮機3、作為制冷機發(fā)揮作用的2級式冷頭10。冷頭10具有：第1級冷卻 部15、及第2級冷卻部50,這些冷卻部以同軸的方式連結(jié)于凸緣12。
[0032] 第1級冷卻部15具有：中空狀的第1級缸體20、在該第1級缸體20內(nèi)設(shè)置成沿 軸向Q可往復(fù)運動的第1級置換器22、填充于第1級置換器22內(nèi)的實施方式所涉及的第1 級蓄冷材料30、設(shè)置于第1級缸體20的低溫端23b側(cè)的內(nèi)部且通過第1級置換器22的往 復(fù)運動改變?nèi)莘e的第1級膨脹室31、及設(shè)置在第1級缸體20的低溫端23b附近的第1級冷 卻臺35。在第1級缸體20的內(nèi)壁與第1級置換器22的外壁之間設(shè)置有第1級密封件39。
[0033] 在第1級缸體20的高溫端23a上，為了使氦氣流入第1級蓄冷材料30或從第1 級蓄冷材料30流出，設(shè)置有多個第1級高溫側(cè)流路40-1。并且，在第1級缸體20的低溫端 23b上，為了使氦氣流入第1級蓄冷材料30及第1級膨脹室31或從第1級蓄冷材料30及 第1級膨脹室31流出，設(shè)置有多個第1級低溫側(cè)流路40-2。
[0034] 第2級冷卻部50具有與第1級冷卻部15大致相同的結(jié)構(gòu)，且具備：中空狀的第 2級缸體51、在第2級缸體51內(nèi)設(shè)置成沿軸向Q可往復(fù)運動的第2級置換器52、填充于第 2級置換器52內(nèi)的實施方式所涉及的第2級蓄冷材料60、設(shè)置于第2級缸體51的低溫端 53b側(cè)的內(nèi)部且通過第2級置換器52的往復(fù)運動改變?nèi)莘e的第2級膨脹室55、及設(shè)置在第 2級缸體51的低溫端53b附近的第2級冷卻臺85。在第2級缸體51的內(nèi)壁與第2級置換 器52的外壁之間設(shè)置有第2級密封件59。在第2級缸體51的高溫端53a上，為了使氦氣 流入第1級蓄冷材料30或從第1級蓄冷材料30流出，設(shè)置有第2級高溫側(cè)流路40-3。并 且，在第2級缸體51的低溫端53b上，為了使氦氣流入第2級膨脹室55或從第2級膨脹室 55流出，設(shè)置有多個第2級低溫側(cè)流路54-2。
[0035] GM制冷機1中，來自氣體壓縮機3的高壓氦氣經(jīng)由高壓閥5及配管7供給第1級 冷卻部15,并且低壓氦氣從第1級冷卻部15經(jīng)由配管7及低壓閥6排氣至氣體壓縮機3。 第1級置換器22及第2級置換器52通過驅(qū)動馬達8沿軸向Q往復(fù)運動。并且，與該往復(fù) 運動聯(lián)動而開啟/關(guān)閉高壓閥5及低壓閥6,控制氦氣的吸氣/排氣的時間。
[0036] 第1級缸體20的高溫端23a例如設(shè)定為室溫，低溫端23b例如設(shè)定為20K?40K。 第2級缸體51的高溫端53a例如設(shè)定為20K?40K，低溫端53b例如設(shè)定為4K。
[0037] 下面，對如上構(gòu)成的GM制冷機1的動作進行說明。
[0038] 在關(guān)閉高壓閥5且關(guān)閉低壓閥6的狀態(tài)下，第1級置換器22及第2級置換器52 分別處于第1級缸體20及第2級缸體51內(nèi)的下止點。
[0039] 此時，若將高壓閥5設(shè)為開啟狀態(tài)且將閥6設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)，則高壓氦氣從氣體壓縮 機3流入到第1級冷卻部15中。高壓氦氣從第1級高溫側(cè)流路40-1流入到第1級置換器 22的內(nèi)部，被第1級蓄冷材料30冷卻至規(guī)定的溫度。被冷卻的氦氣從第1級低溫側(cè)流路 40-2流入到第1級膨脹室31。
[0040] 流入到第1級膨脹室31的高壓氦氣的一部分從第2級高溫側(cè)流路40-3流入到第 2級置換器52的內(nèi)部。該氦氣被第2級蓄冷材料60冷卻至更低的規(guī)定溫度，并從第2級低 溫側(cè)流路54-2流入到第2級膨脹室55。其結(jié)果，第1級膨脹室31及第2級膨脹室55內(nèi)成 為高壓狀態(tài)。
[0041] 接著，第1級置換器22及第2級置換器52向上止點移動，并且關(guān)閉高壓閥5。并 且，打開閥6。由此，第1級膨脹室31及第2級膨脹室55內(nèi)的氦氣從高壓狀態(tài)成為低壓狀 態(tài)且體積膨脹。其結(jié)果，第1級膨脹室31及第2級膨脹室55內(nèi)的氦氣的溫度進一步下降。 并且，由此第1級冷卻臺35及第2級冷卻臺85分別被冷卻。
[0042] 接著，第1級置換器22及第2級置換器52向下止點移動。隨此，低壓氦氣通過與 上述相反的路徑，分別冷卻第1級蓄冷材料30及第2級蓄冷材料60的同時經(jīng)由閥6及配 管7返回到氣體壓縮機3。之后，關(guān)閉閥6。
[0043] 將以上動作作為1個周期，通過重復(fù)上述動作，在第1級冷卻臺35及第2級冷卻 臺85能夠分別從被熱連接的冷卻對象物(未圖示）吸收熱，并進行冷卻。
[0044] <蓄冷材料>
[0045] 圖2是表示第1級蓄冷材料30的結(jié)構(gòu)的示意圖。第1級蓄冷材料30具有沿層疊 方向P層疊 N張（N為2以上的自然數(shù))板狀金屬絲網(wǎng)32-1?32-N而成的層疊結(jié)構(gòu)。層疊 方向P與冷頭10的軸向Q (第1級置換器22的移動方向）大致平行。冷頭10構(gòu)成為使氦 氣在第1級置換器22內(nèi)沿第1級置換器22的移動方向移動。由此，層疊方向P與氦氣的 移動方向大致平行。換句話說，氦氣在第1級蓄冷材料30中沿層疊方向P移動。
[0046] 構(gòu)成各層的金屬絲網(wǎng)32-1?32-N通過織入具有規(guī)定線徑及規(guī)定材質(zhì)的線材而 形成。由構(gòu)成各層的金屬絲網(wǎng)32-1?32-N規(guī)定的面與層疊方向P大致正交。氦氣在第1 級蓄冷材料30中沿層疊方向P流動時，通過構(gòu)成各層的金屬絲網(wǎng)32-1?32-N的多個開口 33〇
[0047] N張金屬絲網(wǎng)32-1?32-N中的高溫側(cè)金屬絲網(wǎng)通過織入銅或不銹鋼的線材37來 形成。N張金屬絲網(wǎng)32-1?32-N中的低溫側(cè)金屬絲網(wǎng)通過織入與高溫側(cè)的金屬絲網(wǎng)的線 材37不同的線材34來形成。低溫側(cè)金屬絲網(wǎng)例如為GM制冷機1正常工作時溫度成為50K 以下的金屬絲網(wǎng)。
[0048] 圖3是低溫側(cè)的金屬絲網(wǎng)的線材34的剖視圖。線材34包括基材34a及覆蓋該基 材34a的涂層34b。基材34a由銅系材料或不銹鋼形成。銅系材料例如可為磷青銅、紅銅、 純銅、韌銅或無氧銅。涂層34b由包含鋅、錫、銀、銦或金中的任一個或其中至少2個的合金 形成。尤其，涂層34b通過對基材34a進行電鍍處理而形成。
[0049] 選擇基材34a及涂層34b的材料時的思路如下。
[0050] (1)使20開爾文?40開爾文的溫度范圍中的涂層34b的容積比熱（volumetric specific heat)大于基材34a的容積比熱。并且，使50開爾文中的涂層34b的容積比熱大 于50開爾文中的基材34a的容積比熱。
[0051] 圖4 (a)、圖4 (b)是表示各種金屬的容積比熱與溫度之間的關(guān)系的曲線圖。若參 考這些曲線圖，則20開爾文?40開爾文的溫度范圍中的鋅、錫、銀、銦及金各自的容積比熱 大于銅的容積比熱。并且，50開爾文中的鋅、錫、銀、銦及金各自的容積比熱大于50開爾文 中的銅的容積比熱，并且50開爾文中的鉍的容積比熱小于50開爾文中的銅的容積比熱。
[0052] (2)使20開爾文?40開爾文的溫度范圍中的基材34a的熱導(dǎo)率大于涂層34b的 熱導(dǎo)率。
[0053] (3)使涂層34b的展性或延性或者這兩者（S卩，延展性）大于鉍。所謂延展性是固 體物質(zhì)的力學(xué)特性(塑性）的一種，表示材料不斷裂而柔軟地變形的極限。延展性劃分為延 性和展性。物質(zhì)科學(xué)中，延性是指尤其對物質(zhì)施加拉力時的變形的能力，大多表現(xiàn)為延長為 鐵絲狀的能力。另一方面，展性是指施加壓縮力時的變形的能力，大多表現(xiàn)為能夠用鍛造或 軋制成型為較薄的板狀的能力。鉍的展性較低，也不耐于拉力。相反，鋅、錫、銀、銦及金的 展性和延性均較高。
[0054] 另外，涂層34b優(yōu)選通過鍍錫來形成。錫是很早就已熟知的金屬材料之一。熟知的 鐵板上的熔融鍍錫是鍍錫鐵皮，其與鉛的合金作為焊錫很早就已用于金屬之間的接合。近 年來，隨著電鍍液的改進，可得到光澤性、焊錫性、防腐性更加優(yōu)異的光澤鍍錫。將鍍錫的硬 度不于下表。
[0055] [表 1]
[0056]

【權(quán)利要求】
1. 一種使用于蓄冷式制冷機的具有層疊結(jié)構(gòu)的蓄冷材料，其特征在于， 在各層上形成有能夠使氣體沿層疊方向通過的多個孔， 至少一個層包含基材及覆蓋所述基材的涂層， 在20開爾文?40開爾文的溫度范圍中的所述涂層的容積比熱大于所述基材的容積比 熱，其中，所述涂層以鉍為主成分的情況除外。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述溫度范圍中的所述涂層的熱導(dǎo)率小于所述基材的熱導(dǎo)率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蓄冷材料，其特征在于， 50開爾文中的所述涂層的容積比熱大于50開爾文中的所述基材的容積比熱。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述涂層由包含鋅、錫、銀、銦或金中的任一個或其中至少2個的合金形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述基材由銅系材料或不銹鋼形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一個層還包含覆蓋所述涂層的保護層， 所述保護層由秘或鋪或他們的合金形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述涂層通過用錫對所述基材進行光澤電鍍來形成。
8. -種使用于蓄冷式制冷機的具有層疊結(jié)構(gòu)的蓄冷材料，其特征在于， 在各層上形成有能夠使氣體沿層疊方向通過的多個孔， 在至少一個層上，涂布有基于鉍和錫的合金或銻和錫的合金或鉍、銻及錫的合金的涂 層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一個層具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其線材截面在層疊方向上的寬度小于與層疊方向交叉 的交叉方向上的寬度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一個層的線材的表面具有在層疊方向上相互對置的2個平面部。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述至少一個層具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其線材截面上的涂層外徑除以基材的直徑的值在 1. 3?1. 5的范圍內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 低溫側(cè)的至少一個層的涂層相對于基材的容積比大于高溫側(cè)的至少一個層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 低溫側(cè)的至少一個層的基材具有與高溫側(cè)的至少一個層的基材相同的截面尺寸， 所述低溫側(cè)的至少一個層的涂層厚于所述高溫側(cè)的至少一個層的涂層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的蓄冷材料，其特征在于， 低溫側(cè)的至少一個層的基材細于高溫側(cè)的至少一個層的基材。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的蓄冷材料，其特征在于， 所述低溫側(cè)的至少一個層的線材的厚度等于或大于所述高溫側(cè)的至少一個層的線材 的厚度。
16. -種蓄冷式制冷機，其特征在于， 所述蓄冷式制冷機具備權(quán)利要求1至15中任一項所述的蓄冷材料。
【文檔編號】B32B15/01GK104232026SQ201410150351
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月20日
【發(fā)明者】許名堯, 雷田, 土屋彰廣 申請人:住友重機械工業(yè)株式會社